Многие слышали о понятии тепловой насос, но что это такое большинство представляет себе довольно слабо, в большинстве случаев из рекламных буклетов и заявлений продавцов на уровне: используется тепло земли, вечный ресурс, бесплатное тепло и т.п

Принцип действия теплового насоса

Самый простой пример теплового насоса который все видели вживую - это обыкновенная сплит система, которые установлены сейчас повсеместно. В данном случае роль конденсатора играет наружный блок, а роль испарителя внутренний - т.е. мы перекачиваем тепло из помещения на улицу. Испаритель и конденсатор образно можно представить в виде теплообменников. Многие сплит-системы способны работать и в обратном направлении - перекачивать тепло с улицы в помещение. Данный принцип и используется в тепловых насосах, работающих на отопление здания. Т.е. в рассматриваемом нами примере со сплит-системой в помещении находится конденсатор, а на улице испаритель. В контуре теплового насоса циркулирует фреон, имеющий низкую температуру кипения.

1. Поступая из испарителя, газообразный фреон сжимается компрессором до высокого давления и высокой температуры (это физика процесса).
2. Горячий фреон высокого давления попадает в конденсатор (теплообменник, находящийся в помещении) и от него забирается тепло на обогрев помещения (как от отопительного прибора), отдавая тепло фреон конденсируется из газообразного состояния в жидкой (отсюда и название - конденсатор)
3. Охлаждённый фреон высокого давления поступает к дросселю, где снижается его давление, и он попадает в испаритель, где переходит в газообразное состояние (отсюда испаритель), забирая тепло из окружающего воздуха. Затем процесс повторяется по второму кругу - см. п.1.

Виды тепловых насосов

Рассмотрим только компрессорные тепловые насосы (ввиду их большего распространения и применения в настоящее время):
Воздушные тепловые насосы. Т.е. наружный блок представляет собой наружный блок кондиционера. Основной плюс этого вида насоса - дешевизна подключения источника тепла - наружный воздух есть везде и забрать тепло из него довольно просто. Основные минусты воздушных тепловых насосов это работа до -20 С, (со снижением производительности) и шум от наружного блока - если при использовании в общественных зданиях данный параметр не критичен, то при применении воздушного теплового насоса в коттедже, расположенном в лесу шум от наружного блока может быть не желательным.

Геотермальные тепловые насосы. Тепловые насосы использующие тепло земли - т.е. к испарителю присоединяется система трубопроводов, проложенных в земле и отбирающих тепло от земли, а затем отдающих его испарителю. Плюсы данного вида теплового насоса - работа вне зависимости от температуры на улице, бесшумность работы (компрессор шумит не больше холодильника). Основной минус - это дороговизна геотермального контура - т.е. труб, проложенных в земле.

Целесообразность использования теплового насоса

Сравнение стоимости энергии (отопительный сезон 2016 – 2017 гг)

Удельная теплота сгорания (низшая) газа G20 (природный газ):
              34,02 МДж/м3 = 9,45 кВт*ч.
  КПД котла 90%, т.е. полезных  9,45 х 0,9 = 8,5 кВт*ч.
  Тариф за 1000 м3 природного газа – 6879 грн.
  Стоимость 8,5 кВт*ч тепловой энергии при сжигании газа – 6,88 грн.
  Средний COP ТН  = 3,92 W/W.
  Для получения 8,5 кВт*ч энергии ТН потребит 8,5 / 3,92 = 2,17 кВт*ч.
 
Тариф на электроэнергию (за кВт*ч) с 1 сентября 2016 по 28 февраля 2017:
    - до 100 кВт*ч (до 150 кВт*ч для сельской местности) – 71,4 коп.
    - до 600 кВт*ч        - 129 коп.
    - свыше 600 кВт*ч – 163,8 коп.
Тариф на электроэнергию (за кВт*ч) для жилых домов, оборудованных в установленном порядке электроотопительными установками (в том числе в сельской местности),  многоквартирных домов, не газифицированных природным газом и в которых отсутствуют или не функционируют системы централизованного теплоснабжения (в том числе в сельской местности)
с 1 октября 2016 года по 28 февраля 2017 года (включительно):
            - до 3600 кВт*ч           - 71,4 коп.
            - свыше 3600 кВт*ч    - 163,8 коп.
Стоимость 2,17 кВт*ч   эл. энергии для ТН по максимальному тарифу:
                2,17 кВт*ч   *  163,8 коп = 355,4 коп = 3,55 грн.
   Отношение стоимостей тепла от сжигания газа и произведённого ТН при максимальном тарифе на электроэнергию:
6,88 / 3,55 = 1,94

Проектирование теплового насоса

Рассмотрим пример проектирования воздушного теплового насоса для здания. Рассматривается одна из самых простых принципиальных схем - ГВС + группа потребителей, работающая либо на тепло либо на холод. В основе проектирования тепловых насосов лежит возможность работы теплового насоса как на тепло, так и на холод и в то же время обеспечивать производство ГВС. Т.к. тепловой насос один (а данном случае рассматриваем систему с одним тепловым насосом), то работать одновременно и на тепло и на холод он не может - с теплового насоса выходят всего две трубы и по ним течёт либо горячая, либо холодная вода (образно). Если для зимы всё довольно просто - зимой есть только потребность в тепле, то в случае для лета есть потребность в горячей воде и в то же время есть потребность в холоде для фанкойлов. Для работы потребителей одновременно устанавливаются баки аккумуляторы - один для ГВС, второй для группы потребителей и 3-х ходовой клапан.

Большинство тепловых насосов снабжено автоматикой, позволяющей управлять переключающим 3-х ходовым по датчикам температуры, расположенным в баках аккумуляторах. Рассмотрим ситуацию летом - тепловой насос работает на холод и 3-х ходовой открыт на проток в бак потребителей (поз 15), с бака 16 (ГВС) приходит запрос на подогрев. Автоматика переключает тепловой насос с охлаждения на обогрев и одновременно переключает 3-х ходовой на бак ГВС, одновременно закрывая бак потребителей. В контуре потребителей в это время охлаждённая вода продолжает циркулировать используя холод бака аккумулятора.